DE10064893A1 - Brenner mit gestufter Brennstoffeindüsung - Google Patents
Brenner mit gestufter BrennstoffeindüsungInfo
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Abstract
Bei einem Brenner, im Wesentlichen bestehend aus einem Drallerzeuger (9) für einen Verbrennungsluftstrom (22, 23), einem Drallraum (26) und Mitteln (1-8, 11-18, 24, 25) zum Einbringen von Brennstrom in den Verbrennungsluftstrom (22, 23), wobei der Drallerzeuger (9) Eintrittsschlitze (30, 31) für den tangential in den Drallraum (26) eintretenden Verbrennungsluftstrom (22, 23) aufweist und die Mittel zum Einbringen von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom wenigstens eine Brennstoffzuführung (24) mit im Wesentlichen in Richtung einer Brennerachse (28) angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen (32) umfassen, wird die Möglichkeit zur Verminderung von Pulsationen und/oder Stickoxidemissionen beim Betrieb dadurch gegeben, dass die Brennstoff-Austrittsöffnungen (32) in wenigstens drei Gruppen aufgeteilt sind, und der Brennstoffmassenstrom der Gruppen über Ventile (1-8, 11-18) unabhängig voneinander regelbar ist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner im Wesentlichen bestehend aus einem Dral
lerzeuger für einen Verbrennungsluftstrom, einem Drallraum und Mitteln zum Einbringen von
Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom, wobei der Drallerzeuger Eintrittsschlitze für den
tangential in den Drallraum eintretenden Verbrennungsluftstrom aufweist und die Mittel zum
Einbringen von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom wenigstens eine Brennstoffzufüh
rung mit im Wesentlichen in Richtung einer Brennerachse angeordneten Brennstoff-
Austrittsöffnungen umfassen. Ausserdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum
Betrieb eines derartigen Brenners. Ein bevorzugtes Einsatzgebiet derartiger Brenner sind
Brennräume von Gasturbinen sowie atmosphärische Kesselfeuerungen.
Aus der EP 0 321 809 ist ein aus mehreren Schalen bestehender kegelförmiger Brenner, ein
sogenannter Doppelkegelbrenner bekannt. Durch den kegelförmigen aus mehreren Schalen
zusammengesetzten Drallerzeuger wird eine Drallströmung in dem von den Teilkegelschalen
eingeschlossenen Kegelinnenraum erzeugt. Aufgrund eines Querschnittssprungs an einem
brennraumseitigen Ende des Brenners wird die Drallströmung instabil, und geht in eine an
nulare Drallströmung mit Rückströmung im Kern über. Diese Rückströmung ermöglicht die
Stabilisierung einer Flammenfront am Brenneraustritt. Die Schalen des Drallerzeugers sind
derart zusammengesetzt, dass entlang der Brennerachse tangentiale Lufteintrittsschlitze für
Verbrennungsluft gebildet werden. An der hierdurch gebildeten Einströmkante der Kegel
schalen sind Zuführungen für einen gasförmigen Vormischbrennstoff, vorgesehen, die in
Richtung der Brennerachse verteilte Austrittsöffnungen für das Vormischgas
aufweisen. Das Gas wird durch die Austrittsöffnungen bzw. Bohrungen quer zum Lufteintritts
spalt eingedüst. Diese Eindüsung führt in Verbindung mit dem im Drallraum erzeugten Drall
der Verbrennungsluft-Brenngas-Strömung zu einer guten Durchmischung des Brenn- bzw.
Vormischgases mit der Verbrennungsluft. Eine gute Durchmischung ist bei derartigen Vor
mischbrennern die Voraussetzung für niedrige NOx-Werte beim Verbrennungsvorgang.
Zur weiteren Verbesserung eines derartigen Brenners ist aus der EP 0 780 629 ein Brenner
für einen Wärmeerzeuger bekannt, der im Anschluss an den Drallerzeuger eine zusätzliche
Mischstrecke zur weiteren Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft aufweist. Diese
Mischstrecke kann beispielsweise als nachgeschaltetes Rohr ausgeführt sein, in das die aus
dem Drallerzeuger austretende Strömung ohne nennenswerte Strömungsverluste überführt
wird. Durch diese zusätzliche Mischstrecke kann der Vermischungsgrad weiter erhöht und
damit die Schadstoffemissionen verringert werden.
Die WO 93/17279 zeigt einen weiteren bekannten Vormisch-Brenner, bei dem ein zylindri
scher Drallerzeuger mit einem zusätzlichen konischen Innenkörper eingesetzt wird. Bei die
sem Brenner wird das Vormischgas ebenfalls über Zuführungen mit entsprechenden Aus
trittsöffnungen in den Drallraum eingedüst, die entlang der axial verlaufenden Lufteintritts
schlitze angeordnet sind. Dieser Brenner weist im konischen Innenkörper zusätzlich eine
zentrale Zuführung für Brenngas auf, das nahe der Austrittsöffnung des Brenners zur Pilotie
rung in den Drallraum eingedüst werden kann. Diese zusätzliche Pilotstufe dient dem Anfah
ren des Brenners. Die Zuführung des Pilotgases im Austrittsbereich des Brenners führt je
doch zu erhöhten NOx-Emissionen, da in diesem Bereich nur eine unzureichende Vermi
schung mit der Verbrennungsluft stattfinden kann.
Bei allen dargestellten Brennern erfolgt die Eindüsung des Vormischgases im Lufteintrittspalt
durch Zuführungen mit im Wesentlichen in Richtung der Brennerachse angeordneten Aus
trittsöffnungen. Damit sind die Charakteristik der Eindüsung hinsichtlich Eindringtiefe und
Einmischung der Gasstrahlen sowie die Brennstoffverteilung entlang der Lufteintrittsschlitze
bzw. der Brennerachse vorgegeben. Die Anordnung der Austrittsöffnungen legt somit bereits
die Mischgüte des Gases und der Verbrennungsluft sowie die Brennstoffverteilung am Bren
neraustritt fest. Diese Grössen sind wiederum entscheidend für die NOx Emissionen, für die
Lösch- und Rückschlagsgrenzen sowie für die Stabilität des Brenners im Hinblick auf Ver
brennungspulsationen.
Bei unterschiedlichen Lasten, Gasqualitäten oder Gasvorwärmtemperaturen treten jedoch
unterschiedliche Gasvordrücke an den Austrittsöffnungen auf, die wiederum zu unterschiedli
chen Vormischbedingungen und Gemischqualitäten am Brennstoffaustritt führen. Aus den
unterschiedlichen Vormischbedingungen resultieren dann unterschiedliche Emissionswerte
und Stabilitätsbedingungen, die von der Last, der Gasqualität und der Gasvorwärmung ab
hängig sind. Die bekannten Brenner lassen sich daher nur für ganz bestimmte Wertebereiche
dieser Parameter optimal betreiben. In allen anderen Betriebsbereichen treten entweder un
angenehme Stickoxidemissionen auf, und/oder es bauen sich unangenehme Pulsationen auf.
Problematisch beim Betrieb von Vormischbrennern insbesondere in Gasturbinen ist u. a. der
Teillastbereich, da hier der Brennluft nur vergleichsweise geringe Brennstoffmengen zuge
mischt werden. Bei der vollständigen Vermischung des Brennstoffes mit der gesamten Luft
aber entsteht ein Gemisch, welches gerade im unteren Teillastbereich nicht mehr zündfähig
ist, oder nur noch eine sehr instabile Flamme auszubilden in der Lage ist. Dies kann zu
schädlichen Verbrennungspulsationen oder zum vollständigen Erlöschen der Flamme führen.
Für eine Anpassung der bekannten Brenner auf bestimmte Emissionswerte oder auf ein be
stimmtes Stabilitätsfenster in Bezug auf Pulsationen bei unterschiedlichen Lasten, Umge
bungsbedingungen, Gasqualitäten und Vorwärmtemperaturen besteht zurzeit einerseits die
Möglichkeit, bei Einsatz von Mehrfachbrenneranordnungen die Vormisch- bzw. Premixgas
zufuhr zu einzelnen Brennergruppen zu stufen.
Dies ist jedoch nur bei mehrreihigen Brenneranordnungen möglich. Für einreihige annulare
Brennkammern hat diese Technik den Nachteil, dass sich ein in Umfangsrichtung ungleich
förmiges Temperaturprofil im Brennkammeraustritt einstellt.
Eine andere Möglichkeit ist, Brenner, wie oben bereits kurz angetönt, mit einer sogenannten
Pilot-Brennstoffversorgung auszustatten. Die Brenner werden dann bei sehr hohen Luftzahlen
als Diffusionsbrenner betrieben. Dies resultiert einerseits in einer überlegenen Flammen
stabilität, andererseits aber in hohen Emissionswerten und weiteren betriebstechnischen
Nachteilen.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, einen Brenner der obengenannten Art
zur Verfügung zu stellen, respektive ein Verfahren zu dessen Betrieb, bei welchem sich bei
unterschiedlichen Lastbedingungen, Gasqualitäten und/oder Gasvorwärmtemperaturen das
Stickoxid-Emissionsverhalten und/oder das Pulsationsverhalten möglichst im Vormischbetrieb
optimal einstellen lässt.
Diese Aufgabe wird bei einem Brenner der obengenannten Art dadurch gelöst, dass die
Brennstoff-Austrittsöffnungen in wenigstens drei Gruppen aufgeteilt sind, und der Brennstoff
massenstrom der Gruppen über Ventile unabhängig voneinander regelbar ist. Der Kern der
Erfindung besteht somit darin, dass die Zusammensetzung des Brennstoff/Luft Gemisches in
Verbindung mit seinem Strömungsverhalten im Brenner über die Länge der Mischstrecke des
Brenners fein eingestellt werden kann, wobei sich diese Einstellbarkeit überraschend direkt
und optimierbar auf sowohl das Emissionsverhalten als auch das Pulsationsverhalten aus
wirkt.
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist der Drallerzeuger zwei, bezüglich der
Brennerachse gegenüberliegende, sich im wesentlichen über die ganze Länge des Draller
zeugers erstreckende Eintrittsschlitze. Gerade bei dieser symmetrischen und besonders
mischaktiven Bauweise des Brenners erweist sich die vorgeschlagene Regelbarkeit als be
sonders effektiv. Dies insbesondere, aber nicht ausschliesslich dann, wenn, wie weiterhin
bevorzugt, die Brennstoff-Austrittsöffnungen im Bereich der Eintrittsschlitze und im Wesentli
chen entlang der Eintrittsschlitze angeordnet sind, und/oder die Brennstoff-Austrittsöffnungen
im Wesentlichen über die ganze Länge der Eintrittsschlitze verteilt angeordnet sind.
Ein weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der
Brennstoffmassenstrom aller Brennstoff-Austrittsöffnungen individuell und über separate
Ventile regelbar sind. Dies erhöht zwar die konstruktiven Anforderungen an einen Brenner, in
Anbetracht der heute aber immer strengeren Anforderungen in Bezug auf Emission und auch
in Bezug auf schnelle Leistungsänderungen von z. B. Gasturbinenanlagen wird dieser Mehraufwand
durch die feinere Einstellbarkeit und die damit verbundene Optimierbarkeit bei wei
tem kompensiert.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann es sich beim Brenner um einen
Doppelkegelbrenner, oder auch um einen umgekehrten Doppelkegelbrenner handeln, wobei
im letzteren Fall auch Brennstoff-Austrittsöffnungen entlang des Innenkörpers angeordnet
sein können. Insbesondere, aber nicht ausschliesslich, bei derartigen Brennern werden an
jedem Eintrittsschlitz jeweils 8 Brennstoff-Austrittsöffnungen angeordnet, welche individuell
und über separate Ventile regelbar sind. Diese Anzahl von Düsen bietet sich meist infolge der
Limitierung des möglichen Druckabfalls der Brennstoffzuführung an und erlaubt bereits eine
für die meisten Anwendungen genügende Feineinstellung der Brennstoffzuführung zum Er
reichen der erfindungsgemässen Zielsetzung. Infolge der meist vorhandenen Symmetrie von
derartigen Brennern mit Drallerzeugung (n-zählige Drehachse um die Brennerachse, wobei n
die Anzahl der Eintrittsschlitze darstellt) reicht es in vielen Fällen, jeweils die Düsen bei unter
schiedlichen Schlitzen aber entsprechender Positionierung entlang des Brenners gleich an
zusteuern. D. h. es werden symmetrisch gegenüberliegende, auf der gleichen Höhe des
Brenners aber an verschiedenen Eintrittsschlitzen angeordnete Brennstoff-Austrittsöffnungen
identisch regelbar ausgestaltet, insbesondere indem für ein derartiges Paar von Brennstoff-
Austrittsöffnungen nur jeweils ein Ventil zur Regelung vorhanden ist, welches die gewisser
massen äquivalenten Austrittsöffnungen an den verschiedenen Schlitzen steuert.
Weitere Ausführungsformen des Brenners sind in den in den abhängigen Ansprüchen be
schrieben.
Die Erfindung betrifft, wie oben erwähnt, ausserdem ein Verfahren zum Betrieb eines Bren
ners mit den genannten Eigenschaften. Das Verfahren zielt darauf ab, die Ventile derart an
zusteuern, dass bei Betrieb Verbrennungspulsationen und/oder Stickoxidemissionen vermin
dert werden. Diese Regelung der Ventile kann dabei lastabhängig geschehen. Wiederum
kann es dabei in Anbetracht der Symmetrie von drallerzeugenden Brennern genügen, bei
derartigen Brennern mit mehreren Eintrittsschlitzen symmetrisch gegenüberliegende, auf der
gleichen Höhe des Brenners aber an verschiedenen Eintrittsschlitzen angeordnete Brenn
stoff-Austrittsöffnungen identisch über die Ventile zu regeln.
Eine erste Ausführungsform der Betriebsweise des Brenners, welche insbesondere darauf
abzielt, Pulsationen zu verhindern, zeichnet sich nun dadurch aus, dass bezüglich eines
mittleren Brennstoffmassenstromes über alle Brennstoff-Austrittsöffnungen, die zwei am
weitesten hinten im Brenner angeordneten Öffnungen über deren Ventile mit wesentlich mehr
als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren werden, die in Richtung des Brenneraus
tritts folgende Öffnung mit wesentlich weniger als dem mittleren Brennstoffmassenstrom ge
fahren wird, die in Richtung des Brenneraustritts nächste Öffnung mit mehr als dem mittleren
Brennstoffmassenstrom gefahren wird, die nächsten zwei in Richtung des Brenneraustritts
folgenden Öffnungen mit wesentlich weniger als dem mittleren Brennstoffmassenstrom ge
fahren werden, und die in Richtung des Brenneraustritts letzten zwei Düsen im Wesentlichen
mit dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren werden.
Eine weitere Ausführungsform der Betriebsweise des Brenners, welche insbesondere
darauf abzielt, Stickoxid-Emissionen zu verhindern, zeichnet sich dadurch aus, dass bezüg
lich eines mittleren Brennstoffmassenstromes über alle Brennstoff-Austrittsöffnungen, die
zwei am weitesten hinten im Brenner angeordneten Öffnungen über deren Ventile mit im We
sentlichen dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren werden, die in Richtung des Bren
neraustritts folgende Öffnung mit weniger als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren
wird, die nächste Öffnung mit weniger als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren
wird, die nächste Öffnung mit mehr als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren wird,
die in Richtung des Brenneraustritts nächste Öffnung mit mehr als dem mittleren Brennstoff
massenstrom gefahren wird, die nächste Öffnung mit etwas weniger als dem mittleren Brenn
stoffmassenstrom gefahren wird, und die in Richtung des Brenneraustritts letzte Düse über
deren Ventil mit mehr als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren wird.
Weitere Ausführungsformen der Betriebsweise des Brenners sind in den in den abhängigen
Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit
den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen Drallerzeuger in einem Schnitt senkrecht zur Brennerachse;
Fig. 2 einen Doppelkegelbrenner mit individuell regelbaren Brennstoffdüsen;
Fig. 3 einen umgekehrten Doppelkegelbrenner mit individuell regelbaren Brennstoffdü
sen; und
Fig. 4 Betriebsweisen eines Doppelkegelbrenners mit individuell regelbaren Brennstoff
düsen und die zugehörigen Pulsations- und Emissionskenndaten.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Drallerzeuger 9 senkrecht zur Hauptachse 28. Es
handelt sich um einen Drallerzeuger 9 mit zwei Eintrittsschlitzen 30 und 31, welche durch
eine Versetzung der Achsen der beiden, den Drallerzeuger begrenzenden Teilkörper 20 und
21, zustande kommen. Es sei am Rande bemerkt, dass auch Drallerzeuger mit einem Ein
trittschlitz oder mit mehr als zwei, d. h. z. B. drei oder vier Schlitzen existieren, und dass sich
das hier geschilderte ebenso auf diese Bauweisen anwenden lässt. Die Verbrennungsluft 22,
23 strömt im Wesentlichen tangential durch die Eintrittsschlitze 30 und 31 in den von den
Teilkörpern 20, 21 begrenzten Drallraum 26 ein, und bewegt sich anschliessend spiralförmig
in Richtung des Brennerausgangs in die Brennkammer.
Der zuzugebende Brennstoff kann nun auf unterschiedliche Weise dem Verbrennungsluft
strom 22, 23 zugemischt werden. Im hier gegebenen Ausführungsbeispiel befinden sich un
mittelbar bei den Luftschlitzen 30,31 und an den jeweils aussenliegenden Teilkörpern 20,21
befestigt Brennstoffzuführungen 24. Es können dabei mehrere derartige Brennstoffzuführun
gen parallel zueinander vorhanden sein, wie dies anhand der optionalen Zuführung 25 ange
deutet sein soll. Der Brennstoff, flüssig oder gasförmig, strömt aus der Zuführungsleitung
24, 25 durch eine Brennstoff-Austrittsöffnung 32 (Düse) in den Verbrennungsluftstrom 22, 23,
wird von diesem erfasst und in den Drallraum 26 hineintransportiert. Im Drallraum findet die
gute Vermischung von Brennstoff und Luft statt, und das resultierende Gemisch wird in der
obengenannten spiralförmigen Bewegung zum Brennraum transportiert, wo es an einer
Flammfront entzündet. Gemäss dem Stand der Technik umfasst die Brennstoffzuführung
24, 25 jeweils eine entlang der Schlitze 30,31 verlaufende Leitung, welche die Bohrungen 32
aufweist, und welche als gesamtes, d. h. gleichzeitig für alle Bohrungen einer derartigen Lei
tung mit Brennstoff gespeist wird. Mit anderen Worten können auch die Düsen einer Zufüh
rung 24, 25 nicht individuell dosiert resp. geregelt werden.
Fig. 2 zeigt einen Doppelkegelbrenner mit individuell regelbaren Brennstoff-
Austrittsöffnungen 32. Der Drallraum 26 wird bei einem derartigen Brenner, wie bereits weiter
oben beschrieben, von zwei aufeinander positionierten hohlen Teilkegelkörpern 20, 21, wel
che in Strömungsrichtung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen, gebildet. Die Teilke
gelkörper 20,21 sind zueinander versetzt angeordnet, so dass die Verbrennungsluft 22, 23
durch zwei Eintrittschlitze 30, 31 zwischen den Teilkegelkörpern 20, 21 in den Drallraum 26
strömt. Bei den Schlitzen 30, 31 wird normalerweise der Brennstoff in den Verbrennungsluft
strom eingedüst, mit diesem im Drallraum 26 gemischt, anschliessend als Brennstoff-Luft-
Gemisch 29 in den Brennraum 19 transportiert und dort an einer Flammfront entzündet. Der
Doppelkegelbrenner weist hier an jedem Luftschlitz jeweils acht Brennstoff-Austrittsöffnungen
auf, welche individuell über Leitungen mit Brennstoff versorgt werden. Jede dieser Leitungen
weist jeweils ein Ventil 1-8 resp. 11-18 auf, welches unabhängig von den anderen geregelt
werden kann. In Anbetracht der Symmetrie des Brenners kann es aber zur konstruktiven
Vereinfachung auch genügen, die Brennstoffzuführungen jeweils gegenüberliegender Düsen
gemeinsam zu regeln, d. h. die Ventile 1 und 11 werden zusammengefasst, die Ventile 2 und
12, und so weiter.
Fig. 3 zeigt eine andere Bauart eines drallerzeugenden Brenners, eines umgekehrten Dop
pelkegelbrenners. Wie bereits oben beschrieben, wird der Drallerzeuger 9 hier aus minde
stens zwei aufeinander positionierten hohlen Teilzylinderkörpern 20, 21 gebildet, welche zu
einander versetzt angeordnet sind. Die Verbrennungsluft 22, 23 strömt entsprechend durch
zwei Eintrittsschlitze 30, 31 zwischen den Teilzylinderkörpern 20, 21 in den Drallraum 26. Ein
kreiskegelförmiger, in Austrittsrichtung des Brenners zusammenlaufender Innenkörper 27 ist
im Drallraum 26 angeordnet, um den spiralförmigen Transport des Brennstoff/Luft-Gemisches
in die Brennkammer 19 zu steuern. Wie beim Doppelkegelbrenner aus Fig. 2 wird der
Brennstoff über individuell mittels Ventilen 1-8 resp. 11-18 regelbare Öffnungen 32 im Bereich
der Eintrittsschlitze 30, 31 in den Verbrennungsluftstrom eingedüst. Der Brennstoff kann auch,
wie bereits oben angetönt, aus dem Innenkörper 27 heraus in den Verbrennungsluftstrom
eingedüst werden, wie in Fig. 3 gepunktet angetönt. Wiederum kann es in Anbetracht der
Symmetrie des Brenners zur konstruktiven Vereinfachung auch genügen, die Brennstoffzu
führungen jeweils gegenüberliegender Düsen gemeinsam zu regeln, d. h. die Ventile 1 und 11
zusammenzufassen, die Ventile 2 und 12, und so weiter.
Fig. 4 zeigt eine Aufstellung verschiedener Steuerungsweisen der zweimal acht an einem
Doppelkegelbrenner gem. Fig. 2 angeordneten Düsen, wobei jeweils gegenüberliegende
Düsen zusammengefasst sind und nicht unabhängig voneinander variiert wurden. In einem
Versuch wurden die 8 Düsen nun um einen Mittelwert 41 des Brennstoff-Massenflusses von
ca. M = 4 kg/h je Düse unabhängig und von Experiment zu Experiment zufällig variiert (bei
konstantem totalem Brennstoffmassenfluss über alle 16 Düsen) und die jeweils resultieren
den Werte der Pulsationen (root-mean-square-Werte in mbar) sowie die der Stickstoffemis
sionen (NOx in ppm bei 15% O2) für eine bestimmte Ansteuerung der Düsen 1 bis 8 gemes
sen. Die resultierenden Wertepaare wurden als Kreuze in einer zweidimensionalen Graphik
aufgetragen, in welcher die Pulsationen auf der Abszisse und die Emissionen auf der Ordi
nate aufgetragen sind. Aus der Graphik wird klar ersichtlich, dass die individuelle Ansteue
rung der Düsen tatsächlich eine Veränderung der Charakteristik in Bezug auf Pulsationen
und Emissionen erlaubt.
Position 40 zeigt das Wertepaar für eine gleichmässige, d. h. über alle Düsen identische Ein
düsung des Brennstoffs an. Im Vergleich mit den anderen möglichen Werten ist ersichtlich,
dass sich diese Einstellung in Bezug auf die Emissionen bereits ziemlich nahe bei einer opti
malen Einstellung befindet, während die Pulsationen durch eine individuelle Regelung we
sentlich verbessert werden können, dies aber auch unter Verschlechterung des Emissions
verhaltens. Allgemein lässt sich sagen, dass sich die beiden Kenngrössen Pulsationen und
Emissionen offenbar nicht gleichzeitig optimieren lassen. Dennoch ist es möglich, für jeden
gegebenen Pulsationswert eine in Bezug auf Emission optimale Ansteuerung zu ermitteln
und umgekehrt. Die in Bezug auf diese beiden Grössen optimalen Ansteuerungsverfahren
verhalten sich qualitativ hyperbolisch in der Graphik, und zur Visualisierung sind 8 Betriebs
weisen mit Kästchen 1 bis 8 herausgegriffen.
Steuerungsverfahren 1 (ganz oben) ist in Bezug auf Pulsationen optimal, in Bezug auf Emis
sionen aber vergleichbar schlechter als die gleichverteilte Einspritzung, und zeigt folgendes
Muster: Die zwei am weitesten hinten im Brenner angeordneten Düsen 1 und 2 werden (Ven
tile 1, 2; 11, 12) mit wesentlich mehr als dem mittleren Brennstoffmassenstrom 41 gefahren,
Düse 3 (Ventil 3; 13) mit wesentlich weniger als dem mittleren Brennstoffmassenstrom 41,
Düse 4 (Ventil 4; 14) mit mehr als dem mittleren Brennstoffmassenstrom 41, die nächsten
zwei in Richtung des Brenneraustritts folgenden Düsen 5 und 6 (Ventile 5, 6; 15, 16) mit we
sentlich weniger als dem mittleren Brennstoffmassenstrom 41, und die in Richtung des Brenneraustritts
letzten zwei Düsen 7 und 8 (Ventile 7, 8; 17, 18) im Wesentlichen mit dem mittleren
Brennstoffmassenstrom 41. Dies ist ein Muster, das sich global auch für die zu geringeren
Emssionswerten verschobenen Kästchen 2 bis 4 wiederholt und damit ein für niedrige Pulsa
tionen bei Drallbrennern optimales Verhalten zu sein scheint.
Quantitativ ausgedrückt lässt sich die in Bezug auf Pulsationen optimale Lösung wie folgt
charakterisieren (alles bezogen auf 100% = mittlerer Brennstoffmassenfluss 41 pro Düse):
Düsen 1, 2: im Bereich von 130-160%, insbesondere von 150%;
Düse 3: im Bereich von 66-80%, insbesondere von 75%;
Düse 4: im Bereich von 115-130%, insbesondere von 125%;
Düsen 5, 6: im Bereich von 40-60%, insbesondere von 50%; und
Düse 7, 8: im Bereich von 90 bis 110%, insbesondere von 100%.
Düsen 1, 2: im Bereich von 130-160%, insbesondere von 150%;
Düse 3: im Bereich von 66-80%, insbesondere von 75%;
Düse 4: im Bereich von 115-130%, insbesondere von 125%;
Düsen 5, 6: im Bereich von 40-60%, insbesondere von 50%; und
Düse 7, 8: im Bereich von 90 bis 110%, insbesondere von 100%.
Steuerungsverfahren 8 (ganz unten) ist in Bezug auf Emissionen optimal, in Bezug auf
Pulsationen sogar auch leicht besser als die gleichverteilte Einspritzung, und zeigt folgendes
Muster: Die zwei am weitesten hinten im Brenner angeordneten Düsen 1 und 2 (Ventile
1, 2; 11, 12) werden mit im Wesentlichen dem mittleren Brennstoffmassenstrom 41 gefahren,
die in Richtung des Brenneraustritts folgende Düsen 3 (Ventil 3; 13) mit weniger als dem mitt
leren Brennstoffmassenstrom 41, die nächste Düse 4 (Ventil 4; 14) mit weniger als dem mittle
ren Brennstoffmassenstrom 41, die nächste Düse 5 (Ventil 5; 15) mit mehr als dem mittleren
Brennstoffmassenstrom 41, die nächste Düse (Ventil 6; 16) mit mehr als dem mittleren Brenn
stoffmassenstrom 41, die nächste Düse (Ventil 7; 17) mit etwas weniger als dem mittleren
Brennstoffmassenstrom 41, und die in Richtung des Brenneraustritts letzte Düse 8 (Ventil
8; 18) mit mehr als dem mittleren Brennstoffmassenstrom 41. Dieses Muster ist nicht so aus
geprägt, und das nächst beste Steuerungsverfahren 7 für etwas niedrigere Pulsationen bei
etwas erhöhten Emissionen ist bereits von Steuerungsverfahren 8 nicht unwesentlich ver
schieden. Als gemeinsamer, qualitativer Trend verbleibt, dass offenbar eine leichte Stufung,
d. h. weniger Brennstoffmassenfluss in den ersten vier Düsen 1-4 und eher höherer Fluss in
den brennerausgangsnahen Düsen 5-8 sich auf die Emissionen vorteilhaft auswirkt.
Quantitativ ausgedrückt lässt sich die in Bezug auf Emissionen optimale Lösung wie folgt
charakterisieren (alles bezogen auf 100% = mittlerer Brennstoffmassenfluss 41 pro Düse):
Düsen 1, 2: im Bereich von 90-110%, insbesondere von 100%;
Düse 3: im Bereich von 60-100%, insbesondere von 75%;
Düse 4: im Bereich von 60-100%, insbesondere von 85%;
Düse 5: im Bereich von 110-150%, insbesondere von 120%;
Düse 6: im Bereich von 100-130%, insbesondere von 110%;
Düse 7: im Bereich von 80-110%, insbesondere von 90%; und
Düse 8: im Bereich von 100-140%, insbesondere von 120%.
Düsen 1, 2: im Bereich von 90-110%, insbesondere von 100%;
Düse 3: im Bereich von 60-100%, insbesondere von 75%;
Düse 4: im Bereich von 60-100%, insbesondere von 85%;
Düse 5: im Bereich von 110-150%, insbesondere von 120%;
Düse 6: im Bereich von 100-130%, insbesondere von 110%;
Düse 7: im Bereich von 80-110%, insbesondere von 90%; und
Düse 8: im Bereich von 100-140%, insbesondere von 120%.
1-8
Ventile der Brennstoffdüsen am ersten Spalt
9
Drallerzeuger
11-18
Ventile der Brennstoffdüsen am zweiten Spalt
19
Brennkammer
20
erster Teilkörper von
19
21
zweiter Teilkörper von
19
22
Verbrennungsluft am ersten Spalt
23
Verbrennungsluft am zweiten Spalt
24
erste Brennstoffzuführung
25
zweite Brennstoffzuführung
26
Drallraum
27
Innenkörper
28
Brennerachse
29
Brennstoff/Luft-Gemisch
30
erster Luftschlitz
31
zweiter Luftschlitz
32
Brennstoff-Austrittsöffnungen
Claims (17)
1. Brenner, im Wesentlichen bestehend aus einem Drallerzeuger (9) für einen Verbren
nungsluftstrom (22, 23), einem Drallraum (26) und Mitteln (1-8, 11-18, 24, 25) zum Einbringen
von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom (22, 23), wobei der Drallerzeuger (9) Eintritts
schlitze (30, 31) für den tangential in den Drallraum (26) eintretenden Verbrennungsluftstrom
(22, 23) aufweist und die Mittel zum Einbringen von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom
wenigstens eine Brennstoffzuführung (24) mit im Wesentlichen in Richtung einer Brennerach
se (28) angeordneten Brennstoff-Austrittsöffnungen (32) umfassen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Brennstoff-Austrittsöffnungen (32) in wenigstens drei Gruppen aufgeteilt sind, und der
Brennstoffmassenstrom der Gruppen über Ventile (1-8, 11-18) unabhängig voneinander re
gelbar ist.
2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drallerzeuger (9) zwei,
bezüglich der Brennerachse (28) gegenüberliegende, sich im wesentlichen über die ganze
Länge des Drallerzeugers (9) erstreckende Eintrittsschlitze (30, 31) aufweist.
3. Brenner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Brennstoff-Austrittsöffnungen (32) im Bereich der Eintrittsschlitze (30, 31) und im Wesentli
chen entlang der Eintrittsschlitze (30, 31) angeordnet sind.
4. Brenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoff-
Austrittsöffnungen (32) im Wesentlichen über die ganze Länge der Eintrittsschlitze (30, 31)
verteilt angeordnet sind.
5. Brenner nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Brennstoffmassenstrom aller Brennstoff-Austrittsöffnungen (32) individuell und über separate
Ventile (1-8, 11-18) regelbar sind.
6. Brenner nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich
um einen Doppelkegelbrenner handelt, bei welchem der Drallerzeuger (9) aus mindestens
zwei aufeinander positionierten hohlen Teilkegelkörpern (20, 21), welche in Strömungsrich
tung eine zunehmende Kegelneigung aufweisen, und welche Teilkegelkörper (20, 21) zuein
ander versetzt angeordnet sind, so dass die Verbrennungsluft (22, 23) durch zwei Eintrittschlitze
(30, 31) zwischen den Teilkegelkörpern (20, 21) in den Drallraum (26) strömt, gebildet
wird.
7. Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich
um einen umgekehrten Doppelkegelbrenner handelt, bei welchem der Drallerzeuger (9) aus
mindestens zwei aufeinander positionierten hohlen Teilzylinderkörpern (20, 21), welche zu
einander versetzt angeordnet sind, so dass die Verbrennungsluft (22, 23) durch zwei Eintritts
schlitze (30, 31) zwischen den Teilzylinderkörpern (20, 21) in den Drallraum (26) strömt, gebil
det wird, wobei zusätzlich im Drallraum (26) ein kreiskegelförmiger, in Austrittsrichtung des
Brenners zusammenlaufender Innenkörper (27) angeordnet ist.
8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoff-
Austrittsöffnungen (32) entlang des Innenkörpers (27) angeordnet sind.
9. Brenner nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem
Eintrittsschlitz (30, 31) jeweils 8 Brennstoff-Austrittsöffnungen (32) angeordnet sind, welche
individuell und über separate Ventile (1-8, 11-18) regelbar sind.
10. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass symmetrisch gegenüber
liegende, auf der gleichen Höhe des Brenners aber an verschiedenen Eintrittsschlitzen
(30, 31) angeordnete Brennstoff-Austrittsöffnungen (32) identisch regelbar sind, insbesondere
indem für ein derartiges Paar von Brennstoff-Austrittsöffnungen (32) nur jeweils ein Ventil
(1/11, 2/12, 3/13, 4/14, 5115, 6/16, 7/17, 8/18) zur Regelung vorhanden ist.
11. Verfahren zum Betrieb eines Brenners nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die Ventile (1-8, 11-18) derart gesteuert werden, dass bei Betrieb Ver
brennungspulsationen und/oder Stickoxidemissionen vermindert werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Ven
tile (1-8, 11-18) lastabhängig geschieht.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei
einem Brenner mit mehreren Eintrittsschlitzen (30, 31) symmetrisch gegenüberliegende, auf
der gleichen Höhe des Brenners aber an verschiedenen Eintrittsschlitzen (30, 31) angeordnete
Brennstoff-Austrittsöffnungen (32) identisch über die Ventile (1-8, 11-18) geregelt wer
den.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, dass bei ei
nem Brenner nach Anspruch 10 bei Betrieb Pulsationen verhindert werden, indem bezüglich
eines mittleren Brennstoffmassenstromes (41) über alle Brennstoff-Austrittsöffnungen (32),
die zwei am weitesten hinten im Brenner angeordneten Öffnungen (32) über deren Ventile
(1, 2; 11, 12) mit wesentlich mehr als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren werden,
die in Richtung des Brenneraustritts folgende Öffnung (32) über deren Ventil (3; 13) mit we
sentlich weniger als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren wird, die in Richtung des
Brenneraustritts nächste Öffnung (32) über deren Ventil (4; 14) mit mehr als dem mittleren
Brennstoffmassenstrom gefahren wird, die nächsten zwei in Richtung des Brenneraustritts
folgenden Öffnungen (32) über deren Ventile (5, 6; 15, 16) mit wesentlich weniger als dem
mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren werden, und die in Richtung des Brenneraustritts
letzten zwei Öffnungen (32) über deren Ventile (7, 8; 17, 18) im Wesentlichen mit dem mittleren
Brennstoffmassenstrom gefahren werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass indem bezüglich eines
mittleren, als 100% bezeichneten Brennstoffmassenstromes (41) über alle Brennstoff-
Austrittsöffnungen (32), die zwei am weitesten hinten im Brenner angeordneten Öffnungen
(32) über deren Ventile (1, 2; 11, 12) mit im Wesentlichen 150% des mittleren Brennstoff
massenstroms gefahren werden, die in Richtung des Brenneraustritts folgende Öffnung (32)
über deren Ventil (3; 13) mit im Wesentlichen 75% des mittleren Brennstoffmassenstroms
gefahren wird, die in Richtung des Brenneraustritts nächste Öffnung (32) über deren Ventil
(4; 14) mit im Wesentlichen 125% des mittleren Brennstoffmassenstroms gefahren wird, die
nächsten zwei in Richtung des Brenneraustritts folgenden Öffnungen (32) über deren Ventile
(5, 6; 15, 16) mit im Wesentlichen 50% des mittleren Brennstoffmassenstroms gefahren wer
den, und die in Richtung des Brenneraustritts letzten zwei Öffnungen (32) über deren Ventile
(7, 8; 17, 18) mit im Wesentlichen 100% des mittleren Brennstoffmassenstroms gefahren wer
den.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, dass bei ei
nem Brenner nach Anspruch 10 bei Betrieb Stickoxidemissionen verhindert werden, indem
bezüglich eines mittleren Brennstoffmassenstromes (41) über alle Brennstoff-
Austrittsöffnungen (32), die zwei am weitesten hinten im Brenner angeordneten Öffnungen
(32) über deren Ventile (1, 2; 11, 12) mit im Wesentlichen dem mittleren Brennstoffmassen
strom gefahren werden, die in Richtung des Brenneraustritts folgende Öffnung (32) über de
ren Ventil (3; 13) mit weniger als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren wird, die in
Richtung des Brenneraustritts nächste Öffnung (32) über deren Ventil (4; 14) mit weniger als
dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren wird, die in Richtung des Brenneraustritts
nächste Öffnung (32) über deren Ventil (5; 15) mit mehr als dem mittleren Brennstoffmassen
strom gefahren wird, die in Richtung des Brenneraustritts nächste Öffnung (32) über deren
Ventil (6; 16) mit mehr als dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren wird, die in Rich
tung des Brenneraustritts nächste Öffnung (32) über deren Ventil (7; 17) mit etwas weniger als
dem mittleren Brennstoffmassenstrom gefahren wird, und die in Richtung des Brenneraus
tritts letzte Öffnung (32) über deren Ventil (8; 18) mit mehr als dem mittleren Brennstoff
massenstrom gefahren wird.
17. Verfahren nach Ansprüche 16, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich eines mitt
leren, als 100% bezeichneten Brennstoffmassenstromes (41) über alle Brennstoff-
Austrittsöffnungen (32), die zwei am weitesten hinten im Brenner angeordneten Öffnungen
(32) über deren Ventile (1, 2; 11, 12) mit im Wesentlichen 100% des mittleren Brennstoff
massenstroms gefahren werden, die in Richtung des Brenneraustritts folgende Öffnung (32)
über deren Ventil (3; 13) mit im Wesentlichen 75% des mittleren Brennstoffmassenstroms
gefahren wird, die in Richtung des Brenneraustritts nächste Öffnung (32) über deren Ventil
(4; 14) mit im Wesentlichen 85% des mittleren Brennstoffmassenstroms gefahren wird, die in
Richtung des Brenneraustritts nächste Öffnung (32) über deren Ventil (5; 15) mit im Wesentli
chen 120% des mittleren Brennstoffmassenstroms gefahren wird, die in Richtung des Bren
neraustritts nächste Öffnung (32) über deren Ventil (6; 16) mit im Wesentlichen 110% des
mittleren Brennstoffmassenstroms gefahren wird, die in Richtung des Brenneraustritts näch
ste Öffnung (32) über deren Ventil (7; 17) im Wesentlichen mit 90% des mittleren Brennstoff
massenstroms gefahren wird, und die in Richtung des Brenneraustritts letzte Öffnung (32)
über deren Ventil (8; 18) mit im Wesentlichen 120% des mittleren Brennstoffmassenstroms
gefahren wird.
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